史上最完整的關(guān)于電耦的完整介紹
在mcu系統(tǒng)中，很多地方都有使用到光耦！
但是光耦是做什么的？都有哪些具體的參數(shù)呢？
但是光耦是做什么的？都有哪些具體的參數(shù)呢？
什么是光耦？
光耦全稱是光耦合器，英文名字是：optical coupler，英文縮寫為OC，亦稱光電隔離器，簡稱光耦。
光耦的結(jié)構(gòu)是什么樣的？
光耦隔離就是采用光耦合器進行隔離，光耦合器的結(jié)構(gòu)相當于把發(fā)光二極管和光敏(三極)管封裝在一起。
為什么要使用光耦？
發(fā)光二極管把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳給光敏管轉(zhuǎn)換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，又有隔離干擾的作用。
光耦愛壞嗎？
只要光耦合器質(zhì)量好，電路參數(shù)設(shè)計合理，一般故障少見。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)異常，使輸入、輸出兩側(cè)的電位差超過光耦合器所能承受的電壓，就會使之被擊穿損壞。
光耦的參數(shù)都有哪些？是什么含義？
1、CTR：電流傳輸比
2、Isolation Voltage：隔離電壓
3、Collector-Emitter Voltage：集電極－發(fā)射極電壓
CTR：發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值
隔離電壓：發(fā)光管和光敏三極管的隔離電壓的最小值
集電極－發(fā)射極電壓：集電極－發(fā)射極之間的耐壓值的最小值
2、Isolation Voltage：隔離電壓
3、Collector-Emitter Voltage：集電極－發(fā)射極電壓
CTR：發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值
隔離電壓：發(fā)光管和光敏三極管的隔離電壓的最小值
集電極－發(fā)射極電壓：集電極－發(fā)射極之間的耐壓值的最小值
光耦什么時候?qū)?？什么時候截至？
關(guān)于TLP521-1的光耦的導(dǎo)通的試驗報告
要求：
3.5v～24v 認為是高電平，0v～1.5v認為是低電平
思路：
1、0v～1.5v認為是低電平，利用串接一個二極管1N4001的壓降0.7V+光耦的LED的壓降，吃掉1.4V左右；
2、24V是最高電壓，不能在最高電壓的時候，光耦通過的電流太大；所以選用2K的電阻；光耦工作在大概10mA的電流，可以保證穩(wěn)定可靠工作n年以上；
3、3.5V以上是高電平，為了盡快進入光敏三極管的飽和區(qū)，要把光耦的光敏三極管的上拉電阻加大；因此選用10K；同時要考慮到ctr最小為50％；
電路：
1、發(fā)光管端：
實驗室電源（0～24V）->2K->1N4001->TLP521-1(1)->TLP521-1(2)-gnd1
2、光敏三極管：
實驗室電源（DC5V）->10K->TLP521-1(4)->TLP521-1(3)-gnd2
3、萬用表
直流電壓擋20V
萬用表+-> TLP521-1(4)
萬用表--> TLP521-1(3)
試驗結(jié)果
輸入電源 萬用表電壓(V)
1.3V 5
1.5V 4.8
1.7V 4.41
1.9V 3.58
2.1V 2.94
2.3V 1.8
2.5V 0.58
2.7V 0.2
2.9V 0.19
3.1V 0.17
3.3V 0.16
3.5V 0.16
5V 0.13
24V 0.06
要求：
3.5v～24v 認為是高電平，0v～1.5v認為是低電平
思路：
1、0v～1.5v認為是低電平，利用串接一個二極管1N4001的壓降0.7V+光耦的LED的壓降，吃掉1.4V左右；
2、24V是最高電壓，不能在最高電壓的時候，光耦通過的電流太大；所以選用2K的電阻；光耦工作在大概10mA的電流，可以保證穩(wěn)定可靠工作n年以上；
3、3.5V以上是高電平，為了盡快進入光敏三極管的飽和區(qū)，要把光耦的光敏三極管的上拉電阻加大；因此選用10K；同時要考慮到ctr最小為50％；
電路：
1、發(fā)光管端：
實驗室電源（0～24V）->2K->1N4001->TLP521-1(1)->TLP521-1(2)-gnd1
2、光敏三極管：
實驗室電源（DC5V）->10K->TLP521-1(4)->TLP521-1(3)-gnd2
3、萬用表
直流電壓擋20V
萬用表+-> TLP521-1(4)
萬用表--> TLP521-1(3)
試驗結(jié)果
輸入電源 萬用表電壓(V)
1.3V 5
1.5V 4.8
1.7V 4.41
1.9V 3.58
2.1V 2.94
2.3V 1.8
2.5V 0.58
2.7V 0.2
2.9V 0.19
3.1V 0.17
3.3V 0.16
3.5V 0.16
5V 0.13
24V 0.06
思考題：光耦的CTR（電流傳輸比）是什么含義？
思考題：
1、光耦的CTR（電流傳輸比）是什么含義？
2、CTR與上拉電阻和光耦的光敏三極管之間與飽和導(dǎo)通或者截至之間的關(guān)系；
參考資料：TLP521-1的CTR為50％（最小值）；
1、光耦的CTR（電流傳輸比）是什么含義？
2、CTR與上拉電阻和光耦的光敏三極管之間與飽和導(dǎo)通或者截至之間的關(guān)系；
參考資料：TLP521-1的CTR為50％（最小值）；
TLP521-1的長相
光藕的電流傳輸比
電流傳輸比是光藕的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。其條件是：當輸出電壓保持恒定時，等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比，說明要獲得同樣的輸出電流IC，電流傳輸比越大，需要的輸入電流IF越小。這表明光藕器件的最主要特征是電流型器件。
光耦的分類：
1、低速光耦
2、高速光耦
3、線性光耦
2、高速光耦
3、線性光耦
線性光耦原理與電路設(shè)計
大部分的光耦都是低速光耦
6N137的測試電路
最小 (CTR在100℃)=100%x0.80x0.80=64%
R_{1}=\frac{(V_{CC}-V_{F})}{I_{F}} →(1)
I_{F}=\frac{I_{CE}}{CTR} →(2)
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為64％。假設(shè)所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.64}=1.56mA
從表2可知在100℃當V_{F}= 1.1 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導(dǎo)通狀態(tài)) =(1.1V 1.56mA)+(0.4V 1mA)=2.117mA
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，MFP封裝的CTR從+9％下降到 -50％。最小CTR (I_{F}=5mA)為100％。假設(shè)LED電流為(I_{F}=1mA)，CTR增益為100%，那么I_{CE}等于1mA。當工作10年后，CTR一般會下降20％?，F(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
最小 (CTR在100℃) =100%x0.50x0.80=40%
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為40％。假設(shè)所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.4}=2.5mA
從表4可知在100℃當V_{F}= 1.15 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導(dǎo)通狀態(tài)) =(1.15V 2.5mA)+(0.4V 1mA)=3.28mA
熱阻
表5列出了兩種不同封裝在同樣電氣特性下的熱性能。封裝密度和封裝材料對于封裝從結(jié)點到周圍的散熱能力有很大影響。由于Microcoupler 的封裝密度較小，因此具有比MFP封裝更多的從裸片結(jié)點散熱的路徑。
計算光耦合器裸片溫度相對于周圍溫度的上升：
T_{J}=P_{DEVICE\phantom{8}POWER} _{JA}+T_{A}
Microcoupler
Tj (發(fā)射器) = 100.44℃
Tj (檢測器) = 100.05℃
MFP
Tj (發(fā)射器) = 103.96℃
Tj (檢測器) = 100.06℃
結(jié)論
在100℃的溫度環(huán)境維持相同增益的前提下，Microcoupler的功耗比標準MFP封裝低約35％。Microcoupler封裝的高效率LED和較佳的熱性能是在高溫應(yīng)用下獲得低功耗的主因。這些優(yōu)點為設(shè)計人員的高溫應(yīng)用提供了理想的低功耗解決方案。
最著名的當然是TLP521-1;
PC817、814等也是經(jīng)常使用的光耦；
PC817、814等也是經(jīng)常使用的光耦；
高速光耦最著名也最便宜的是6N137
在通訊電路設(shè)計中，光耦是經(jīng)常見到的；
在通訊電路設(shè)計中，光耦是經(jīng)常見到的；
TLP521-1可以用到9600～19200；
限流電阻是1K；上拉電阻是1K；
6N137可以到10M；但是6N137需要按照datasheet來接它的外部電路才能達到10M的速度；
限流電阻是1K；上拉電阻是1K；
6N137可以到10M；但是6N137需要按照datasheet來接它的外部電路才能達到10M的速度；
6N137的內(nèi)部和典型電路
6N137的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
6N137的測試電路
6N137的使用注意點：
1、高速光耦的驅(qū)動LED的電流要求比較大，LED的壓降也比較大，在5V情況下，限流電阻我選擇的是680歐姆；
2、上拉電阻需要調(diào)整到1K或者更小才能達到10M的速度；（印象記憶中）
2、上拉電阻需要調(diào)整到1K或者更小才能達到10M的速度；（印象記憶中）
還有一種特殊的光耦，內(nèi)部有2個發(fā)光管
常見之高速光藕型號
常見之高速光藕型號[zt]
經(jīng)查大量資料后，總結(jié)出目前市場上常見之高速光藕型號供大家選擇：
100K bit/S:
6N138、6N139、PS8703
1M bit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（雙路）、HCPL-2531（雙路）
10M bit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（雙路）、HCPL－2631（雙路）
另外，臺灣COSMO公司的KP7010在RL選值為300歐左右時，我根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊所載數(shù)值計算，速率可達100Kbit/S，且為6腳封裝，比同級的6N138、6N139小巧，價格也較低。
經(jīng)查大量資料后，總結(jié)出目前市場上常見之高速光藕型號供大家選擇：
100K bit/S:
6N138、6N139、PS8703
1M bit/S:
6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（雙路）、HCPL-2531（雙路）
10M bit/S:
6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（雙路）、HCPL－2631（雙路）
另外，臺灣COSMO公司的KP7010在RL選值為300歐左右時，我根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊所載數(shù)值計算，速率可達100Kbit/S，且為6腳封裝，比同級的6N138、6N139小巧，價格也較低。
CTR的定義
光耦合器的增益被稱為晶體管輸出器件的電流傳輸比 (CTR)，其定義是光電晶體管集電極電流與LED正向電流的比率(ICE/IF)。光電晶體管集電極電流與VCE有關(guān)，即集電極和發(fā)射極之間的電壓
MICROCOUPLER為高溫應(yīng)用提升功耗性能
|
MICROCOUPLER為高溫應(yīng)用提升功耗性能 |
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飛兆半導(dǎo)體 Muralitharan Samy、Krishnan Ramdass、Robert Krause |
| 光耦合器是具有絕緣安全性及在輸入和輸出之間實現(xiàn)電氣信號隔離功能的器件，其絕緣和噪聲抑制特性來自于采用的機械結(jié)構(gòu)和材料。 光耦合器由一個光源和一個由透明光導(dǎo)管圍繞的感光檢測器組成，并藏于環(huán)氧塑料封裝內(nèi)。光源是紅外LED，用來將電流轉(zhuǎn)換為光。感光檢測器是一個硅光電二極管，作用是將光轉(zhuǎn)換回電流，然后通過集成的晶體管被放大。光耦合器的增益被稱為晶體管輸出器件的電流傳輸比 (CTR)，其定義是光電晶體管集電極電流與LED正向電流的比率(ICE/IF)。光電晶體管集電極電流與VCE有關(guān)，即集電極和發(fā)射極之間的電壓。 額定工作溫度高達100℃的設(shè)計的出現(xiàn)，使業(yè)界對熱穩(wěn)定性和低驅(qū)動電流的需求飚升。封裝技術(shù)的進步也在推動光耦合器封裝的發(fā)展。從DIP (雙列直插式) 轉(zhuǎn)至SOP (小型封裝) 及MFP (微型扁平封裝) 減小了占位面積，提升了光耦合器的熱性能。體積的減小也有助于在工作溫度范圍內(nèi)增加熱存儲和穩(wěn)定性。 飛兆半導(dǎo)體的Microcoupler (FODB100)是無鉛表貼光耦合器，提供高達125℃的封裝工作溫度。隨著工作溫度的提升，電氣性能和穩(wěn)定性成為重要的課題。面對這些挑戰(zhàn)，新的LED材料被選用以便在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)提高CTR穩(wěn)定性。AlGaAs (鋁砷化稼) 紅外發(fā)光二極管在一定溫度范圍內(nèi)較GaAs (砷化稼) 紅外發(fā)光二極管具有更好的穩(wěn)定性。AlGaAs LED可于低電流 (最低達500 A) 下工作。更小型的封裝和更佳的Ired材料使Microcoupler比傳統(tǒng)的光耦合器封裝在較高的工作溫度范圍內(nèi)具有更加穩(wěn)定的電氣性能。 |
圖1功耗的計算圖1所示為MFP封裝與Microcoupler在工作溫度范圍內(nèi)CTR性能的比較。Microcoupler在100℃時的標準化CTR下降率約為20％，而MFP封裝則為50％。較小的熱體積和較高效率的AlGaAs Ired材料是Microcoupler獲得較佳CTR穩(wěn)定性的原因。由于該產(chǎn)品在一定溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，因此更易于在高溫范圍內(nèi)進行設(shè)計。
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，F(xiàn)ODB100的CTR從+8％下降到 20％。最小CTR（I_{F}=1mA)為100％。當工作10年后，CTR一般會下降20％。現(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，F(xiàn)ODB100的CTR從+8％下降到 20％。最小CTR（I_{F}=1mA)為100％。當工作10年后，CTR一般會下降20％。現(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
最小 (CTR在100℃)=100%x0.80x0.80=64%
R_{1}=\frac{(V_{CC}-V_{F})}{I_{F}} →(1)
I_{F}=\frac{I_{CE}}{CTR} →(2)
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為64％。假設(shè)所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.64}=1.56mA
從表2可知在100℃當V_{F}= 1.1 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導(dǎo)通狀態(tài)) =(1.1V 1.56mA)+(0.4V 1mA)=2.117mA
根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當溫度從0℃上升到100℃時，MFP封裝的CTR從+9％下降到 -50％。最小CTR (I_{F}=5mA)為100％。假設(shè)LED電流為(I_{F}=1mA)，CTR增益為100%，那么I_{CE}等于1mA。當工作10年后，CTR一般會下降20％?，F(xiàn)在，我們可以算出上述條件下最小的CTR：
最小 (CTR在100℃) =100%x0.50x0.80=40%
首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計算可知CTR為40％。假設(shè)所需I_{CE}為1mA。
從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.4}=2.5mA
從表4可知在100℃當V_{F}= 1.15 V時，V_{CC}= 5V；
功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})
(導(dǎo)通狀態(tài)) =(1.15V 2.5mA)+(0.4V 1mA)=3.28mA
熱阻
表5列出了兩種不同封裝在同樣電氣特性下的熱性能。封裝密度和封裝材料對于封裝從結(jié)點到周圍的散熱能力有很大影響。由于Microcoupler 的封裝密度較小，因此具有比MFP封裝更多的從裸片結(jié)點散熱的路徑。
計算光耦合器裸片溫度相對于周圍溫度的上升：
T_{J}=P_{DEVICE\phantom{8}POWER} _{JA}+T_{A}
Microcoupler
Tj (發(fā)射器) = 100.44℃
Tj (檢測器) = 100.05℃
MFP
Tj (發(fā)射器) = 103.96℃
Tj (檢測器) = 100.06℃
結(jié)論
在100℃的溫度環(huán)境維持相同增益的前提下，Microcoupler的功耗比標準MFP封裝低約35％。Microcoupler封裝的高效率LED和較佳的熱性能是在高溫應(yīng)用下獲得低功耗的主因。這些優(yōu)點為設(shè)計人員的高溫應(yīng)用提供了理想的低功耗解決方案。
可控硅型光耦
還有一種光耦是可控硅型光耦。
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
上傳IL420的pdf文檔
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FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
可控硅型光耦
還有一種光耦是可控硅型光耦。
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
例如：moc3063、IL420；
它們的主要指標是負載能力；
例如：moc3063的負載能力是100mA；IL420是300mA；
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FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
FEATURES
? High Input Sensitivity IFT=2 mA
? Blocking Voltage, 600 V
? 300 mA On-State Current
? High Static dv/dt 10,000 V/ms
? Inverse Parallel SCRs Provide Commutatingdv/dt >2K V/ms
? Very Low Leakage <10mA
? Isolation Test Voltage from Double
Molded
Package 5300 VAC
RMS
? Small 6-Pin DIP Package
? Underwriters Lab File #E52744
? VDE 0884 Available with Option 1
Maximum Ratings
Emitter
Reverse Voltage ................................................ 6 V
Forward Current ........................................... 60 mA
Surge Current..................................................2.5 A
Power Dissipation.......................................100 mW
Derate from 25°C ................................1.33 mW/°C
Thermal Resistance..................................750°C/W
Detector
Peak Off-State Voltage ...................................600 V
Peak Reverse Voltage ....................................600 V
RMS On-State Current.................................300 mA
Single Cycle Surge............................................ 3 A
Total Power Dissipation ..............................500 mW
Derate from 25°C ..................................6.6 mW/°C
Thermal Resistance...................................150°C/W
Package
Storage Temperature................... –55°C to +150°C
Operating Temperature ............... –55°C to +100°C
Lead Soldering Temperature.............. 260°C/5 sec.
Isolation Test Voltage.........................5300 VACRMS
DESCRIPTION
The IL420 consists of a GaAs IRLED optically coupled to a photosensitive
non-zero crossing TRIAC network. The TRIAC consists of two
inverse parallel connected monolithic SCRs. These three semiconductors
are assembled in a six pin 0.3 inch dual in-line package, using high
insulation double molded, over/under leadframe construction.
High input sensitivity is achieved by using an emitter follower phototransistor
and a cascaded SCR predriver resulting in an LED trigger
current of less than 2 mA (DC).
The IL420 uses two discrete SCRs resulting in a commutating dV/dt of
greater than 10KV/ms. The use of a proprietary
dv/dt clamp
results in a
static dV/dt of greater than 10KV/ms. This clamp circuit has a MOSFET
that is enhanced when high dV/dt spikes occur between MT1 and MT2
of the TRIAC. When conducting, the FET clamps the base of the phototransistor,
disabling the first stage SCR predriver.
The 600 V blocking voltage permits control of off-line voltages up to 240
VAC, with a safety factor of more than two, and is sufficient for as much
as 380 VAC.
The IL420 isolates low-voltage logic from 120, 240, and 380 VAC lines to
control resistive, inductive, or capacitive loads including motors, solenoids,
high current thyristors or TRIAC and relays.
Applications include solid-state relays, industrial controls, office equipment,
and consumer appliances.
光耦的部分型號
| 產(chǎn)品名稱 | 型號規(guī)格 | 性能說明 |
| 光電耦合 | ||
| 4N25 | 晶體管輸出 | |
| 4N25MC | 晶體管輸出 | |
| 4N26 | 晶體管輸出 | |
| 4N27 | 晶體管輸出 | |
| 4N28 | 晶體管輸出 | |
| 4N29 | 達林頓輸出 | |
| 4N30 | 達林頓輸出 | |
| 4N31 | 達林頓輸出 | |
| 4N32 | 達林頓輸出 | |
| 4N33 | 達林頓輸出 | |
| 4N33MC | 達林頓輸出 | |
| 4N35 | 達林頓輸出 | |
| 4N36 | 晶體管輸出 | |
| 4N37 | 晶體管輸出 | |
| 4N38 | 晶體管輸出 | |
| 4N39 | 可控硅輸出 | |
| 6N135 | 高速光耦晶體管輸出 | |
| 6N136 | 高速光耦晶體管輸出 | |
| 6N137 | 高速光耦晶體管輸出 | |
| 6N138 | 達林頓輸出 | |
| 6N139 | 達林頓輸出 | |
| MOC3020 | 可控硅驅(qū)動輸出 | |
| MOC3021 | 可控硅驅(qū)動輸出 | |
| MOC3023 | 可控硅驅(qū)動輸出 | |
| MOC3030 | 可控硅驅(qū)動輸出 | |
| MOC3040 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| MOC3041 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| MOC3061 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| MOC3081 | 過零觸發(fā)可控硅輸出 | |
| TLP521-1 | 單光耦 | |
| TLP521-2 | 雙光耦 | |
| TLP521-4 | 四光耦 | |
| TLP621 | 四光耦 | |
| TIL113 | 達林頓輸出 | |
| TIL117 | TTL邏輯輸出 | |
| PC814 | 單光耦 | |
| PC817 | 單光耦 | |
| H11A2 | 晶體管輸出 | |
| H11D1 | 高壓晶體管輸出 | |
| H11G2 | 電阻達林頓輸出 |
|
線性光耦原理與電路設(shè)計 1. 線形光耦介紹
光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單,在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到,如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對于模擬信號,光耦因為輸入輸出的線形較差,并且隨溫度變化較大,限制了其在模擬信號隔離的應(yīng)用。 對于高頻交流模擬信號,變壓器隔離是最常見的選擇,但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,如ADI的AD202,能夠提供從直流到幾K的頻率內(nèi)提供0.025%的線性度,但這種隔離器件內(nèi)部先進行電壓-頻率轉(zhuǎn)換,對產(chǎn)生的交流信號進行變壓器隔離,然后進行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜,體積大,成本高,不適合大規(guī)模應(yīng)用。 模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別,只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變,增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣,雖然兩個光接受電路都是非線性的,但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的,這樣,就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性,從而達到實現(xiàn)線性隔離的目的。 市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。這里以HCNR200/201為例介紹 2. 芯片介紹與原理說明 HCNR200/201的內(nèi)部框圖如下所示 |
其中1、2引作為隔離信號的輸入,3、4引腳用于反饋,5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作IF,3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)化,電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系,線性系數(shù)分別記為K1和K2,即
K1與K2一般很?。℉CNR200是0.50%）,并且隨溫度變化較大（HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間）,但芯片的設(shè)計使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外圍電路設(shè)計中,真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。
HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同,差別在于一些指標上。相對于HCNR200,HCNR201提供更高的線性度。
采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：
* 線性度：HCNR200：0.25%,HCNR201：0.05%;
* 線性系數(shù)K3：HCNR200：15%,HCNR201：5%;
* 溫度系數(shù)： -65ppm/oC;
* 隔離電壓：1414V;
* 信號帶寬：直流到大于1MHz。
從上面可以看出,和普通光耦一樣,線性光耦真正隔離的是電流,要想真正隔離電壓,需要在輸出和輸出處增加運算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析,對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉(zhuǎn)換進行推導(dǎo)與說明。
3. 典型電路分析
Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給出了多種實用電路,其中較為典型的一種如下圖所示：
輸入端電壓為Vin,輸出端電壓為Vout,光耦保證的兩個電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2,顯然,,和之間的關(guān)系取決于和之間的關(guān)系。將前級運放的電路提出來看,如下圖所示：
設(shè)運放負端的電壓為,運放輸出端的電壓為,在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關(guān)系：Vo=Voo-GVi(1)
其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓,G為運放的增益,一般比較大。
忽略運放負端的輸入電流,可以認為通過R1的電流為IP1,根據(jù)R1的歐姆定律得：
通過R3兩端的電流為IF,根據(jù)歐姆定律得：
其中,為光耦2腳的電壓,考慮到LED導(dǎo)通時的電壓（）基本不變,這里的作為常數(shù)對待。
根據(jù)光耦的特性,即
K1=IP1/IF (4)
將和的表達式代入上式,可得：
上式經(jīng)變形可得到：
將的表達式代入（3）式可得：
考慮到G特別大,則可以做以下近似：
這樣,輸出與輸入電壓的關(guān)系如下：
可見,在上述電路中,輸出和輸入成正比,并且比例系數(shù)只由K3和R1、R2確定。一般選R1=R2,達到只隔離不放大的目的。
4. 輔助電路與參數(shù)確定
上面的推導(dǎo)都是假定所有電路都是工作在線性范圍內(nèi)的,要想做到這一點需要對運放進行合理選型,并且確定電阻的阻值。
4.1 運放選型
運放可以是單電源供電或正負電源供電,上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC,需要運放能夠滿擺幅工作,另外,運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求,可以作為HCNR200/201的外圍電路。
4.2 阻值確定
電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下,IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max,這樣,由于Vo的范圍最小可以為0,這樣,由于
考慮到IFmax大有利于能量的傳輸,這樣,一般取
另外,由于工作在深度負反饋狀態(tài)的運放滿足虛短特性,因此,考慮IPD1的限制,
這樣,
R2的確定可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定,例如如果不需要方法,只需將R2=R1即可。
另外由于光耦會產(chǎn)生一些高頻的噪聲,通常在R2處并聯(lián)電容,構(gòu)成低通濾波器,具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。
4.3 參數(shù)確定實例
假設(shè)確定Vcc=5V,輸入在0-4V之間,輸出等于輸入,采用LMV321運放芯片以及上面電路,下面給出參數(shù)確定的過程。
* 確定IFmax：HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右;
* 確定R3：R3=5V/25mA=200;
* 確定R1：;
* 確定R2：R2=R1=32K。
5. 總結(jié)
本文給出了線性光耦的簡單介紹以及電路設(shè)計、參數(shù)選擇等使用中的注意事項與參考設(shè)計,并對電路的設(shè)計方法給出相應(yīng)的推導(dǎo)與解釋,供廣大電子工程師參考。
